DE3743194A1 - Verfahren und vorrichtung zur optischen entfernungsmessung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur optischen Entfernungsmessung zwischen einem Meßgerät und einem Objekt, bei dem von einer Lichtquelle ein Licht­ strahl vom Meßgerät auf das Objekt geworfen, das reflek­ tierte Strahlbühndel in einem optischen System des Meßge­ rätes fokussiert und vor der Fokalebene durch einen Strahl­ teiler in zwei Teilstrahlen zerlegt wird, deren Strahlungs­ intensitäten mittels zweier optoelektronischer Detektoren in der gemeinsamen optischen Achse jedoch in unterschied­ lichen Abständen vom Strahlteiler gemessen werden und der Quotient der Detektorströme als Funktion der zu messenden Entfernung ausgewertet wird.

Aus der US-PS 37 19 421 ist ein derartiges Verfahren be­ kannt, bei dem jedem Teilstrahl eine Blende zugeordnet und als Ergebnis die Differenz der Strahlungsflüsse der beiden Detektoren gemessen wird. Sind beide Blenden gleich groß, so liegt bei gleichem Strahlungsfluß das virtuelle Bild der Lichtquelle genau zwischen beiden Blenden. Diese Situation tritt jedoch nur für einen ganz bestimmten Abstand der Lichtquelle vom Objekt auf. Mit diesem Verfahren ist es nur möglich, zu überprüfen, ob die Lichtquelle in einem vorgegebenen richtigen Abstand vom Objekt angeordnet ist und wenn nicht, in welcher Richtung die tatsächliche Lage sich von der gewünschten Lage unterscheidet. Die effektive Größe der Abweichung von der gewünschten Lage läßt sich nicht ermitteln, da die absolute Leuchtkraft der Licht­ quelle unbekannt ist. Verdoppelt sich diese z.B., so verdoppelt sich auch die Differenz der Strahlungsflüsse der Teilstrahlen, obwohl die Entfernung des Gerätes vom Objekt unverändert bleibt. Mit der bekannten Anordnung ist es also nicht möglich, ein Meßgerät herzustellen, das ein Ausgangssignal zur Verfügung stellt, aus dem sich die tatsächliche Entfernung zum Objekt ermitteln läßt.

Die DDR-PS 65 320 zeigt vom Aufbau her ein ähnliches op­ tisches System, dessen Signalauswertung dadurch verbes­ sert ist, daß nicht die Differenz der Strahlungsflüsse sondern der Quotient aus der Differenz und der Summe der Strahlungsflüsse ausgewertet wird. Damit ist das Meßergeb­ nis nicht mehr von der absoluten Leuchtstärke der Licht­ quelle abhängig. Der Abstand der Lichtquelle von einer Sammellinse läßt sich somit direkt zuordnen. Während das Signal bezüglich des Abstandes des virtuellen Bildes der Lichtquelle linear ist, trifft dies bezüglich des realen Bildes der Lichtquelle nicht zu, da dieser Abstand aus der Linsengleichung berechnet werden muß.

Aufgabe der Erfindung ist es nun, das bekannte Verfahren der eingangs genannten Art so auszubilden, daß ein Aus­ gangssignal erzeugt wird, welches linear von der zu messenden Entfernung abhängig ist, um so einen echten Entfernungsmesser zu realisieren.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs ge­ nannten Art dadurch gelöst, daß das reflektierte Bündel paralleler Lichtstrahlen in dem optischen System eindimen­ sional fokussiert wird und daß die Messung der Strahlungs­ intensität eines Teilstrahls in dessen Fokallinie erfolgt.

Ein nach diesem neuen Verfahren arbeitendes Meßgerät hat eine lineare Ausgangskennlinie bezüglich der Objektent­ fernung. Dies ermöglicht ein direktes Eichen der Ausgangs­ spannung und erübrigt eine Umrechnung z.B. über eine Werte­ tabelle. Die Linearisierung des Ausgangssignals beruht also einmal auf der Anordnung einer der beiden Detektoren genau im Abstand der Brennweite des abbildenden optischen Systems (Linse oder Spiegel) und zum anderen auf der Messung der eindimensionalen Leistungsdichte im Strahlungsweg. Würde man den einen Detektor nicht genau im Abstand gleich der Brenn­ weite des optischen Systems anordnen, so würde sich die ur­ sprünglich gerade Kennlinie konkav oder konvex verformen, je nachdem, ob sich der Detektor vor oder hinter der Fokallinie befindet.

Während nach dem Stand der Technik die Fokussierung des reflektierten Strahlbündels durch die Linse punktförmig erfolgt, wird erfindungsgemäß das Strahlbündel nur ein­ dimensional fokussiert und die Querschnitte des reflektier­ ten Strahlbündels haben somit einen gleichbleibenden großen Durchmesser und einen längs des Strahlweges all­ mählich abnehmenden kleineren Durchmesser. Die beiden Detektoren müssen also in einer Koordinatenrichtung größer als der Strahldurchmesser und in einer dazu senk­ rechten Richtung kleiner sein, was zu einer schmalen und langen Bauweise des Detektors führt. Alternativ läßt sich die Leistungsmessung auch durch ein den Detektoren jeweils vorgeschaltetes optisches System, z.B. einer Zylinder­ linse erreichen.

Erfindungsgemäß wird der Quotient der beiden Teilströme der Detektoren ausgewertet, der sich digital oder analog berechnen läßt. Dabei wird der von der in der Fokallinie des optischen Systems anzuordnenden Detektors gemessene Fotostrom für den Zähler des Quotienten verwendet, der kleiner ist als der Fotostrom des anderen Detektors, der näher am optischen System liegt und dessen Teilstrahllänge daher kürzer ist.

Wenn im Vorstehenden von der Fokallinie bzw. der Fokallänge oder Brennweite des optischen Systems gesprochen wird, so sind darunter die Werte zu verstehen, die sich auf eine vom optischen System unendlich weit entfernte Strahlungs­ quelle beziehen, obwohl mit dem Meßgerät endliche Abstän­ de gemessen werden.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird alternativ oder kumulativ auch dadurch gelöst, daß die Lichtstärke der Lichtquelle in Abhängigkeit von der Entfernung des Meßgerätes vom Ob­ jekt laufend so geregelt wird, daß die Strahlungsintensität eines Teilstrahls konstant bleibt. Insbesondere wird der Fotostrom des näher zum Strahlungsteiler liegenden Detektors auf konstantem Wert gehalten, da bei der Quotientenbildung der Fotoströme der Strom des näher am Strahlungsteiler lie­ genden Detektors im Nenner steht. Auch mit diesem Regelungs­ verfahren wird eine Linearisierung des Ausgangssignals in Abhängigkeit von der Objektentfernung erreicht und zwar ist diese Entfernung direkt proportional dem Fotostrom des vom Strahlungsteiler weiter abliegenden Detektors.

Während die Anordnung des einen Detektors in der Fokallinie des optischen Systems eine Linearisierung des Ausgangssig­ nals ohne jegliche elektronische Kompensation ermöglicht, müssen solche elektronischen Mittel bei der zweiten Alter­ native zusätzlich vorgesehen werden. Beide Alternativen las­ sen sich aber vorzugsweise auch in einem Meßgerät realisie­ ren, wobei eine Umschaltung auf die zweite Alternative vor­ genommen wird, wenn das Meßverfahren nach der ersten Alter­ native in Ausnahmefällen nicht zufriedenstellend arbeitet. Dies kann z.B. an den Grenzen des Meßbereiches, bei un­ günstigen Reflektionseigenschaften des Objektes und ungün­ stigen Lichtverhältnissen der Fall sein.

Beide Verfahren zur Linearisierung des Ausgangssignals bezüglich der Entfernung setzen voraus, daß die Lichtquelle ein isotroper Strahler ist, dessen abgestrahlte Leistungs­ dichte in jedem Raumwinkelelement gleich ist. Das trifft näherungsweise für selbstleuchtende Lichtquellen, wie z.B. eine Glühbirne zu. Bei realen Oberflächen, die jedoch nur eingestrahltes Licht reflektieren, treten demgegenüber Abweichungen auf, verursacht durch Glanzwinkeleffekte. Dies hat zur Folge, daß die Leistungsdichte statistischen Schwankungen bei Veränderung des Raumwinkels unterworfen ist, aus denen Störungen des Meßergebnisses resultieren. Um solche Störungen zu vermeiden ist gemäß einer Ausge­ staltung der Erfindung vorgesehen, daß der auf das Objekt auftreffende Lichtstrahl polarisiert ist und bei der Detek­ tion der beiden Teilstrahlen der Polarisierungszustand des Lichtstrahls durch Filter eliminiert wird. Im einfachsten Fall wird gemäß einer Weiterbildung der Erfindung eine po­ larisiertes Licht aussendende Lichtquelle verwendet. Alterna­ tiv liegt es im Rahmen der Erfindung, im gemeinsamen Strah­ lungsweg der ausgesendeten und reflektierten Strahlbündel einen aus einem Linear-und Zirkularpolarisator bestehenden optischen Isolator anzuordnen.

Anhand der Zeichnung, die ein Ausführungsbeispiel darstellt, sei die Erfindung näher beschrieben.

Die einzige Figur zeigt schematisch den inneren optischen Aufbau eines Meßgerätes 10 zur Messung seines Abstandes von einem Objekt 12. Das Meßgerät 10 enthält einen Kolli­ mator 14, dessen Lichtquelle 16, z.B. eine gepulste Laser­ diode, einen gebündelten Lichtstrahl 18 auf das Objekt 12 wirft. Dieser gebündelte Lichtstrahl 18 tritt durch eine im Mittelbereich der Stirnfläche des Kollimators 14 ange­ ordneten engen Öffnung aus, durchsetzt einen optischen Isolator 20 innerhalb des Gerätes 10, der aus einem Linear­ und Zirkularpolarisator besteht. Der eng gebündelte Strahl 18 wird von der Oberfläche des Objektes 12 in Form eines Strahlbündels 22 reflektiert, das den optischen Isolator 20 durchsetzt und auf die Stirnfläche des Kollimators 14 trifft. Diese Stirnfläche ist als einfach gekrümmte Spiegel­ fläche 24 ausgebildet, die das Strahlbündel 22 etwa recht­ winklig ablenkt und im Punkt 26 linienförmig fokussiert. Das von der Spiegelfläche 24 abgelenkte Strahlbündel 28 trifft auf einen teildurchlässigen Strahlteiler 30, der einen durchgehenden Teilstrahl 32 und einen reflektierten Teil­ strahl 34 erzeugt. In den Strahlungswegen beider Teilstrah­ len 32, 34 ist jeweils kein optischer Detektor 36; 38 ange­ ordnet. Die optischen Detektoren 36, 38 bestehen z.B. aus Fotodioden von - senkrecht zur Papierebene gemessener - langgestreckter Form. Der Detektor 36 im durchgehenden Teil­ strahl 32 ist dicht hinter dem Strahlteiler 30 angeordnet, während der Detektor 38 vom Strahlteiler 30 einen größeren Abstand hat. Es ist wichtig, daß die beiden Abstände der Detektoren 36, 38 vom Strahlteiler 30 unterschiedlich sind, da diese Abstandsdifferenz als Faktor bei der Entfernungs­ messung eingeht.

Bezogen auf ein gestrichelt dargestelltes Strahlenbündel 40 einer unendlich weit entfernten Lichtquelle hat die Spiegelfläche 24 eine Brennweite, die sich zusammensetzt aus dem Abstand des Punktes 42, in dem die optische Achse des vom Objekt 12 reflektierten Strahlbündels 22 die Spie­ gelfläche 24 schneidet,vom Punkt 44, in dem die optische Achse des reflektierten abgelenkten Strahls 28 auf den Strahltei­ ler 30 trifft und weiterhin dem Abstand dieses Punktes 44 vom Brennpunkt 46 des fokussierten Strahlbündels 40 der un­ endlich weit entfernten Lichtquelle und zwar in der optischen Achse des vom Strahlteiler 30 reflektierten Teilstrahls 34 gemessen. Da die Spiegelfläche 24 nur einfach gekrümmt ist, seine Querschnittsform also senkrecht zur Papierebene nicht ändert, würde das von der unendlich weit entfernten Licht­ quelle kommende Strahlbündel nicht im Brennpunkt 46 sondern längs einer diesen Punkt 46 enthaltenden, senkrecht zur Pa­ pierebene verlaufenden Fokallinie fokussiert werden. Der Detektor 38 wird nun auf der optischen Achse des vom Strahl­ teiler 30 reflektierten Teilstrahls 34 so angeordnet, daß er diese Fokallinie 46 enthält. Die Fokallinie 26 des tat­ sächlich vom Objekt 12 reflektierten, von der Spiegelfläche 24 abgelenkten und fokussierten und vom Strahlteiler 30 abge­ lenkten Teilstrahls 34 liegt hinter dem Detektor 38.

Die beiden Detektoren 36, 38 sind - senkrecht zur Papier­ ebene gemessen - mindestens so lang wie der senkrecht zur Papierebene gemessene Durchmesser des von der Spiegelflä­ che 24 abgelenkten Strahlbündels 28.

Aus der Linsengleichung und dem Strahlensatz läßt sich ab­ leiten, daß der Abstand der Spiegelfläche 24 vom Objekt 12 proportional ist zu dem Quotienten aus den Breiten der Strah­ lengänge an den Meßorten der beiden Detektoren 36 und 38. Dieser Quotient multipliziert mit einem geräteeigenen Faktor ergibt die gewünschte Entfernung. Da die Breiten der Strah­ lungsgänge umgekehrt proportional zu den Fotoströmen der Detektoren 36, 38 ist, läßt sich der zu messende Abstand zwischen Punkt 42 der Spiegelfläche 24 und dem Objekt 12 mathematisch folgendermaßen ausdrücken

Abstand = (I₃₈/I₃₆) C₁-C₂.

Die beiden konstanten C₁ und C₂ sind gerätespezifisch und sind ausschließlich abhängig von den in den optischen Achsen gemessenen Abständen der beiden Detektoren 36, 38 vom Punkt 42 der Spiegelfläche 24. Bezeichnet man den Abstand 42-44-46 mit a und den Abstand des Detektors 36 vom Punkt 42 mit b so errechnen sich die beiden Konstanten zu

C₁ = a²/(a-b) und C₂ = a b/(a-b).

Die Abhängigkeit des Abstandes von Punkt 42 der Spiegel­ fläche 24 vom Objekt 12 ist nur dann linear abhängig vom Quotienten der Fotoströme der Detektoren 38 und 36, wenn der weiter vom Strahlungsteiler 30 abliegende Detektor 38 genau in der Fokallinie 46 der Spiegelfläche 24 liegt. Der Quotient der beiden Fotoströme der Detektoren 38 und 36 kann digital oder analog berechnet werden. Noch einfacher ist es, den Fotostrom des Detektors 36 durch ein Regelsystem über den Strom der Lichtquelle 16 auf einen konstanten ent­ fernungsunabhängigen Wert zu stabilisieren. In diesem Fall ist die zu messende Entfernung eine lineare Funktion des Fotostroms des Detektors 38 allein und kann daher direkt über diesen Fotostrom nach Abzug einer Konstanten gemessen und angezeigt werden.

Die Detektoren 36 und 38 sind nur schematisiert dargestellt. Sie messen nicht die zweidimensionale, flächenhafte Leucht­ dichte (W/cm²), sondern nur die Leuchtdichte in einer Koordinate (W/cm). Das wird durch Integration der Leuchtdichte über eine Koordinate erreicht, indem sich die Auswertung in dieser Ko­ ordinate über den vollen, maximal auftretenden Strahldurch­ messer erstreckt und in der anderen senkrecht dazustehenden Koordinate nur über einen gerincen Bereich im Zentrum des Strahlbündels, der immer kleiner ist als der Strahldurch­ messer in dieser Achse. Die integrierende Koordinate liegt senkrecht zur Ebene der Figur.

Bei der Ableitung der vorstehenden Gleichungen wurden einige vereinfachende Annahmen gemacht, nämlich die Vernachlässi­ gung der endlichen Breite der Detektoren und die Vernachlässi­ gung von Breite und Divergenz des Strahlbündels der Licht­ quelle 16. Daraus resultiert in Wirklichkeit eine geringfü­ gige Abweichung von der perfekten Linearität, die jedoch we­ niger als 2% innerhalb des zur Verfügung stehenden Meßbereichs ausmacht. Dieser Wert kann jedoch unter 1‰ reduziert werden durch Defokussierung von Detektor 38 um etwa 1% der Fokal­ länge und gleichzeitiger Optimierung des Abstandes des Detektors 36 vom Punkt 42.

Jeder der Detektoren 36, 38 wird vorzugsweise als Fotodiode mit integrierter Zylinderlinse realisiert.

Claims (10)

1. Verfahren zur optischen Entfernungsmessung zwischen einem Meßgerät und einem Objekt, bei dem von einer Lichtquelle ein Lichtstrahl vom Meßgerät auf das Objekt geworfen, das reflektierte Strahlbündel in einem optischen System des Meßgerätes fokussiert und vor der Fokalebene durch einen Strahlteiler in zwei Teilstrahlen zerlegt wird, deren Strahlungsintensi­ täten mittels zweier optoelektronischer Detektoren in der gemeinsamen optischen Achse jedoch in unter­ schiedlichen Abständen vom Strahlteiler gemessen wer­ den und der Quotient der Detektorströme als Funktion der zu messenden Entfernung ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle einen scharf ge­ bündelten Lichtstrahl erzeugt, daß das reflektierte Bündel paralleler Lichtstrahlen in dem optischen System eindimensional fokussiert wird und daß die Mes­ sung der Strahlungsintensität eines Teilstrahls in der Fokallinie erfolgt, die durch die Brennweite des opti­ schen Systems bezogen auf ein von einem unendlich fernen Punkt reflektiertes Strahlbündel definiert ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsintensitätsmessung in der Fokallinie des­ jenigen Teilstahls vorgenommen wird, dessen Detektor vom Strahlteiler den größeren Abstand hat.

3. Verfahren zur optischen Entfernungsmessung zwischen einem Meßgerät und einem Objekt, bei dem von einer Lichtquelle ein Lichtstrahl vom Meßgerät auf das Ob­ jekt geworfen, das reflektierte Strahlbündel in einem optischen System des Meßgerätes fokussiert und vor der Fokalebene durch einen Strahlteiler in zwei Teilstrahlen zerlegt wird, deren Strahlungsintensitäten mittels zweier optoelektronischer Detektoren in der gemeinsamen optischen Achse jedoch in unterschiedlichen Abständen vom Strahl­ teiler gemessen werden und der Quotient der Detektorströ­ me als Funktion der zu messenden Entfernung ausgewertet wird, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Lichtstärke der Lichtquelle in Abhängigkeit von der Entfernung des Meßgerätes vom Objekt laufend so geregelt wird, daß die Strahlungsintensität eines Teil­ strahls konstant bleibt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Fotostrom des dem Stahlteiler näher liegenden Detek­ tors auf konstantem Wert gehalten wird.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Unterdrückung direk­ ter Reflexe der auf das Objekt auftreffende Lichtstrahl polarisiert ist und bei der Detektion der beiden Teil­ strahlen der Polarisierungszustand des Lichtstrahls durch Filter eliminiert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine polarisiertes Licht aussendende Lichtquelle verwen­ det wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß im gemeinsamen Strahlungsweg der ausgesendeten und re­ flektierten Strahlbündel ein aus einem Linear- und Zir­ kularpolarisator bestehender optischer Isolator ange­ ordnet wird.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7 mit einem Kollimator, dessen Stirnfläche, aus der ein, von einer punktförmigen Strahlungsquelle erzeugter elektromagnetischer Strahl austritt, eine verspiegelte Ablenkungsfläche für das re­ flektierte Strahlbündel aufweist, einem, in der Strahlachse des abgelenkten reflektierten Strahlbündels angeordneten Strahlteiler, einem ersten optischen Detektor in der optischen Achse des durchgehenden Teilstrahls und einem zweiten optischen Detektor in der optischen Achse des abgelenkten Teilstrahls, wobei die, jeweils längs der optischen Achsen gemessenen Abstände der Detektoren vom Strahlteiler unterschiedlich groß sind, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Stirnfläche des Kollimators (14) zur eindimensionalen Fokussierung des reflektierten abgelenkten Strahlbündels (28) einfach gekrümmt und als Spiegelfläche (24) ausgebildet ist, und daß einer (38) der Detektoren (36, 38) in der Fokallinie (46) einer (34) der Teilstrahlen (32, 34) angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Detektor (36, 38) eine längliche Gestalt hat, deren Längserstreckung mindestens gleich dem dort auftretenden großen Durchmesser des jewei­ ligen Teilstrahls (32, 34) ist.

10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Detektor (36, 38) eine Zylinderlinse integriert ist, deren Länge mindestens gleich dem dort auftretenden größten Durchmesser des je­ weiligen Teilstrahls (32, 34) ist.